pásmové meradlo, posuvné meradlo, mikrometer, váhy, stopky, teplomer, pyrometer, voltmeter, ampérmeter

Transkript

1 1 Meracie prístroje Základné pojmy: pásmové meradlo, posuvné meradlo, mikrometer, váhy, stopky, teplomer, pyrometer, voltmeter, ampérmeter V tejto kapitole sa oboznámime s niektorými základnými meracími prístrojmi, ktoré budeme pri meraní používať. Pôjde o meradlá digitálne, elektrické ručičkové, ale aj mechanické. Pomocou nich budeme merať dĺžku a priemer telies, elektrický prúd a napätie, teplotu prostredia, ale aj dobu, za ktorú teleso kmitá a podobne.

2

3 1.1 Pásmové a posuvné meradlo Pásmové meradlo slúži na meranie dĺžok (obr. 1). Stupnica pásmového meradla je delená na milimetre. Presnosť pásmového meradla je daná hodnotou najmenšieho dielika. Obr. 1 Posuvné meradlo používame na určenie dĺžok, vonkajších a vnútorných rozmerov alebo hĺbky. Posuvné meradlo pozostáva z pevnej časti s hlavnou milimetrovou stupnicou a pevnou čeľusťou a pohyblivej časti s čeľusťou a nóniovou stupnicou (obr. 2). Obr. 2 (zdroj: Delenie nónia (pomocnej stupnice) môže byť na 1/10, 1/20 alebo 1/50. Pri delení na desatiny má dĺžkový nónius stupnicu rozdelenú na 10 rovnakých dielikov. Analogicky je to pri ďalších deleniach. Pri meraní posuvným meradlom, vložíme teleso medzi meracie plochy. Na pomocnej stupnici sledujeme polohu začiatočnej nóniovej rysky (nuly), ktorá ukazuje na hlavnej stupnici počet celých milimetrov. Potom na pomocnej stupnici nónia hľadáme prvý dielik rysky nónia, ktorý je totožný s niektorým dielikom hlavnej stupnice. Tento dielik označuje počet desatín milimetra (pri delení nónia na 1/10) alebo počet stotín milimetra (pre delenie na 1/20 a 1 /50). Výsledná hodnota merania je daná súčtom milimetrov na hlavnej stupnici a desatín (stotín) milimetra na nóniovej stupnice.

4 Pozrite sa aj na animáciu ako merať s posuvným meradlom, zdroj: Napríklad: Pri meraní vonkajších rozmerov telesa (detail na obr. 2), poloha začiatočnej nóniovej rysky (nula) je totožná s hodnotou 2 (20 mm) na hlavnej stupnici. Na stupnici nónia sa prekrýva v poradí 5 dielik (medzi dielikmi hodnoty 2 a 3 na stupnici) s hodnotou dielika 3 (30 mm) na hornej stupnici, čo prislúcha hodnote 0,25 mm na nóniovej stupnici. Výsledná číselná hodnota vonkajších rozmerov telesa je daná súčtom 20 mm + 0,25 mm = 20,25 mm. Presnosť posuvného meradla určujeme ako hodnotu najmenšieho dielika. Z histórie Princíp odčítania nameranej hodnoty v medzipolohách využívajúci nónius vynašiel v roku 1631 francúzsky matematik Pierre Vernier. Táto stupnica sa v určitých jazykoch nazýva aj Vernierova po tomto vynálezcovi, no vo väčšine krajín sa zaviedol pojem nóniová. Nónius je latinské meno portugalského astronóma a matematika Pedra Nunesa. Ten v roku 1542 vynašiel mierne odlišný spôsob získavania nameraných hodnôt, ktorý bol predchodcom dnešnej nóniovej stupnice. 1.2 Mikrometer Mikrometer je meradlo dĺžok, ktoré využíva pri meraní presnú skrutku s malým stúpaním závitu, tzv. mikrometrickú skrutku, ktorá určuje polohu meracích plôch. Vďaka tomuto princípu merania je mikrometer presnejšie meradlo ako posuvné meradlo. Mikrometer má dve stupnice (obr. 3). Hlavná milimetrová stupnica je delená na hlavné milimetrové dieliky nad referenčnou čiarou, pod ktorou je každý dielik rozdelený na polovicu. Druhá, rotačná stupnica, sa nachádza po obvode bubienka a zvyčajne je delená na 50 dielikov. Väčšina mikrometrov má rapkáč, ktorý slúži na vyvolanie vhodnej meracej sily. Pri natáčaní bubienka bez rapkáča môže dôjsť k deformácii meraného telesa medzi meracími plochami, prípadne aj k deformácii meradla, čo môže ovplyvniť výsledok merania. Rapkáč je v podstate spojka, ktorá pri pôsobení väčšieho tlaku než je dovolený začne prekĺzavať. Pri meraní na mikrometri, najprv odčítame hodnotu celých dielikov z milimetrovej stupnice nad referenčnou čiarou, ktorá je na odkrytej časti stupnice až po bubienok. K nej pripočítame hodnotu polovičných dielikov pod referenčnou čiarou. Potom sa pozeráme na stupnicu na bubienku, na ktorej hľadáme dielik na stupnici bubienka, ktorý sa prekrýva s referenčnou čiarou (viď. obr. 3, detaily stupnice v krúžkoch). Výsledná hodnota merania bude daná súčtom celých dielikov na milimetrovej stupnici, polovičných dielikov na milimetrovej stupnici a stotín milimetra na bubienku.

5 Obr. 3 (zdroj: Napríklad: Na obr. 3, v hornej časti posledná hodnota na milimetrovej stupnici nezakrytá bubienkom je 15 celých dielikov, teda 15 mm. Referenčná čiara na mikrometri sa prekrýva s dielikom 5 na bubienku, čo je 0,05 mm. Celková hodnota merania bude daná súčtom ,05 = 15,05 mm. Presnosť mikrometra určujeme ako hodnotu najmenšieho dielika. Z histórie Návrh mikrometra bol vynájdený v 17. storočí. Anglický astronóm, matematik a konštruktér vedeckých prístrojov William Gascoigne vynašiel mikrometrickú skrutku ako lepšiu alternatívu k nóniu, aby mu to pomohlo v jeho štúdiu hviezd. Skutočným otcom dnešného mikrometra je francúz Jean Louis Palmer, ktorý dokázal že mikrometer môže byť použitý pri presnom meraní rozmerov. 1.3 Stopky Stopkami určujeme dobu, za ktorú teleso napr. vykoná určitý počet kmitov alebo prejde určitú dráhu. Digitálne stopky, ktoré používame pri meraní, ovládame pomocou dvoch tlačidiel. Tlačidlom Start Stop vpravo hore (obr. 4) spúšťame a zastavujeme dobu merania. Časový údaj na stopkách nulujeme tlačidlom Reset (vľavo hore). Čas na displeji stopiek je zobrazovaný vo formáte (0:00 00 minúty : sekundy stotiny sekundy). Preto pri odčítavaní časového údaja zo stopiek je nutné premeniť čas v minútach na sekundy.

6 Napríklad: Stopkami bola odmeraná doba 50 kmitov jednoduchého kyvadla 1:48 06, t. j. 1 minúta, 48 sekúnd a 6 stotín sekundy. Potom celková doba určená v sekundách je ,06 = 108,06 sekúnd. Obr. 4 Presnosť stopiek je určená ako hodnota najmenšieho dielika na stupnici. Nezabudnite pri meraní stopkami brať do úvahu osobnú chybu, ktorá je spôsobená oneskorenou reakciou experimentátora pri zapnutí a vypnutí stopiek. Tá predstavuje chybu približne 0,1 s na jedno stlačenie tlačidla stopiek. 1.4 Váhy V našom laboratóriu používame na určenie hmotnosti telies váhy OWA LABOR 750,05, ktoré pozostávajú z misky a stupnice (obr. 5). Obr. 5 Obr. 6 Váhy uvádzame do prevádzky zapnutím vypínača v zadnej časti váh (obr. 6). Hodnotu hmotnosti zobrazuje svetelná stopa na displeji stupnice váh (obr. 7), na ktorom pred meraním skontrolujeme nulovú hodnotu (čierna ryska sa musí prekrývať s nulovou hodnotu na váhach). Ak to tak nie je, pomocou kolieska 2 na ľavej strane váh (obr. 8) ju vyrovnáme (aby sa nulová hodnota prekryla s čiernou ryskou). Ak je stupnica na displeji rozmazaná, zaostríme ju pomocou kolieska 1 v zadnej časti váh (obr. 6). Potom môžeme začať merať.

7 3 2 Obr. 7 Obr. 8 Pri určovaní hmotnosti telesa položíme teleso na misku váh a odčítame jeho hmotnosť zo stupnice. Stupnica na obr. 7 ukazuje hmotnosť telesa do 100 g (napr. 38,5 g). Obr. 9 Obr. 10 Ak na stupnici nie je zobrazená číselná hodnota (displej zobrazuje znamienko plus alebo mínus) (obr. 9), znamená to, že teleso je ťažšie (pre znamienko +) alebo ľahšie (pre znamienko -) ako 100 g. Potom teleso zložíme z váh a vyvážime ho potrebným celočíselným násobkom 100 g pomocou kolieska 3 na obr. 8. V okienku vedľa stupnice (obr. 10) sa objaví číslo, ktoré odpovedá n - násobku 100 g (napr. číslo 2 znamená, že sme pridali hmotnosť 200 g). Napríklad: Ak vážime teleso, ktoré váži 538 g, tak pomocou kolieska 3, nastavíme v okienku vedľa stupnice číslo 5. Potom k odčítanej hodnote 38 g na stupnici pripočítame 500 g. Po meraní vážené teleso zložíme z váh, vrátime pomocou kolieska 3 číslo v okienku vedľa stupnice na 0 a vypneme váhy. Presnosť váh je uvedená na váhach, d = 0,1 g.

8 1.5 Teplomer Na určovanie teploty používame rôzne teplomery, najčastejšie s digitálnym displejom (obr. 11). Obr. 11 Pri meraniach podporovaných počítačom meriame pomocou teplotných sond, ktoré umožňujú merať teplotu v rôznych rozsahoch teplôt. Presnosť teplomerov je daná hodnotou ich najmenšieho dielika na stupnici. 1.6 Pyrometer Na meranie vysokých teplôt slúžia radiačné teplomery optické pyrometre (obr. 12), ktoré sú založené na zákonoch tepelného žiarenia absolútne čierneho telesa. Bežne používané typy možno použiť na meranie teplôt do 3500 o C. 2 1 Obr. 12 Merací systém pyrometra je tvorený voltmetrom s otočnou cievkou z rozsahom 1,5 V a prúdovou spotrebou 5 ma. Voltmeter je paralelne pripojený k pyrometrickej žiarovke, ktorá sa nachádza v ohniskovej rovine ďalekohľadu. Pri meraní pozorujeme ďalekohľadom svetlo vychádzajúce zo žiariča (napr. zo žiarovky) a regulujeme otočnou cievkou pri súčasnom stlačení tlačidla 1 na obr. 12 žeraviaci prúd žiarovky pyrometra tak, aby farba vlákna žiarovky bola taká istá ako farba žiariča. Pre pyrometer používaný v našom laboratóriu je výrobcom určená presnosť merania ± 22 o C na rozsahu o C a ± 35 o C na rozsahu

9 2300 o C. Rozsahy na pyrometri meníme gombíkom 2 na obr. 12. Odhad vysokej teploty podľa farby vysielaného svetla je uvedená v tab. 1. Teplota ( o C) Farba tmavo červená višňovo červená oranžová žltá zožltnutá biela oslňujúca Tab Voltmeter a ampérmeter Pri meraní napätí a prúdu používame rôzne typy voltmetrov a ampérmetrov, ručičkové, s digitálnym displejom multimetre. Multimeter (obr. 13) sa zapína tlačidlom ON / OFF a používa sa ako voltmeter, ampérmeter alebo ohmmeter. Voľbu typu meradla zvolíme stlačením tlačidiel v ľavej časti na boku prístroja (napr. stlačíme A pre ampérmeter). Pri meraní je dôležité zvoliť správne stupnicu merania, ktorá sa na multimetri volí stlačením tlačidiel v ľavej časti zvoleného rozsahu, napr. 20 V. Výber merania jednosmerného (DC) alebo striedavého (AC) prúdu uskutočníme stlačením príslušného tlačidla. Presnosť multimetra je daná ako hodnota najmenšieho dielika na stupnici displeja. 1 - Voľba merania 2 - Voľba meradla 3 - Voľba stupnice Obr. 13 Na ručičkovom voltmetri (obr. 14) alebo ampérmetri sa používa na zmenu rozsahu prepínač v pravej časti na boku prístroja. Zvolená hodnota je potom zobrazená v okienku (červený krúžok na obr. 14). V našom laboratóriu používame aj iné typy ručičkových voltmetrov a ampérmetrov, na ktorých sa rozsah stupnice volí podobným spôsobom.

10 Voľba stupnice Obr. 14 Presnosť ručičkových voltmetrov a ampérmetrov je daná triedou presnosti (p) v percentách na danom rozsahu prístroja z p max. rozsah 100. (1.1) Trieda presnosti môže byť uvedená na meracom prístroji ako číslo nad vlnovkou pri meraní so striedavým prúdom alebo nad rovnou čiarou pri meraní s jednosmerným prúdom (napr. 0,5). Na niektorých meracích prístrojoch, ktoré používame v našich laboratóriách, je trieda presnosti uvedená v dolnej časti stupnice (obr. 15). Obr. 15

11 Preskúšajte sa 1. Odčítajte meranú hodnotu na posuvných meradlách na obrázkoch a určte ich presnosť. a) b) 2. Odčítajte hodnotu zo stupnice mikrometra na obrázkoch a určte ich presnosť. a) b) c) d) 3. Určte časový okamih v sekundách zo stupnice stopiek na obrázkoch a určte ich presnosť. a) b) 4. Určte triedu presnosti prístrojov na obrázkoch. a)

12 5. Pomocou voltmetra na obr. a) bola určená hodnota napätia 75,6 V. Určte presnosť merania. Aká bude maximálna dovolená odchýlka ampérmetra na obr. b) k úlohe 4 na rozsahu 30 A? Aká bude maximálna dovolená odchýlka voltmetra na obr. b) na rozsahu 600 V? b) Odpovede: 1. a) d = 3,2 mm, b) l = 19,2 mm, presnosť a) d max = 0,1 mm, b) l max = 0,05 mm 2. a) 11,91 mm, b) 55,95 mm, c) 4,62 mm, d) 6,94 mm, presnosť d max = 0,01 mm 3. a) t = ,29 = 276,29 s, b) t = ,50 = 638,5 s, presnosť t max = 0,01 s 4. a) trieda presnosti je 0,2 %, b) trieda presnosti je 2,5 %, a) U max = 0,3 V, b) I max = 0,75 A, U max = 15 V